宇宙構造物を対象とした不確定性を考慮した設計支援ツールの構築

• Project/Area Number: 20K14637
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 18030:Design engineering-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 伊藤 誠 金沢大学, 機械工学系, 助教 (30845160)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 不確定性 / 最適設計 / 信頼性 / 航空宇宙工学 / 宇宙構造物

Outline of Research at the Start

本研究は，不確定性を考慮した最適設計手法とシミュレーション技術を統合した設計支援ツールを構築する．宇宙構造物の設計において，シミュレーション技術と最適設計を統合した設計支援法は従来より有効な手段と考えられている．一方で，宇宙構造物に対する要求性能が高まっていることから，不確定性による性能劣化が無視できないとされており，不確定性を考慮した設計支援ツールの構築が重要と考えられる．実現のための課題は，不確定性の定量化技術の確立と不確定性を考慮した最適設計の計算効率の向上であり，本研究ではこれらの課題を解決するための基礎技術の確立と具体的な宇宙構造物設計問題での実証の二段階で取り組んでいく．

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，宇宙構造物を対象とした不確定性を考慮した設計支援ツールを構築することである．そのために，不確定性の定量化，最適設計手法，シミュレーション技術の3つの技術要素を統合させることが重要と考えられる．2021年度の研究成果としては，応答曲面を利用した信頼性に基づく最適設計手法の高度化及び宇宙環境を考慮した最適設計手法の構築を行なった．
宇宙環境で使用される構造物は，多くの場合，過酷な熱環境にさらされる．そのため，アンテナ鏡面に代表される高精度構造物の設計においては熱変形の影響を無視することはできない．そこで，本研究では熱変形の影響を最小化するための構造位相（トポロジー）を導出するための最適設計手法を構築した．さらに，高精度構造物の性能と熱変形量の抑制の2つの目的関数を設定した多目的トポロジー最適化手法に拡張し，形状可変鏡のアクチュエータ構造の設計問題に適用した．
また，応答曲面を利用した信頼性に基づく最適設計手法の開発では，サンプル点配置を導くための関数を作成することで汎用性を拡大することに成功した．これらの結果を投稿論文として整理し，発表した．

Research Products

• [Journal Article] Reliability-based global optimization using response surface (2021)
  • Author(s): 伊藤 誠，北山 哲士
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 87 Issue: 898 Pages: 20-00442-20-00442
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00442
  • NAID: 130008057146
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 熱変形を考慮した形状可変鏡の変位拡大機構の最適設計 (2021)
  • Author(s): 伊藤 誠，小中 優雅，北山 哲士
  • Organizer: 日本機械学会北陸信越支部講演会
• [Presentation] 逐次近似最適化を用いた信頼性に基づく最適設計手法： 大域的探索のためのアルゴリズムの提案 (2020)
  • Author(s): 伊藤 誠，北山 哲士
  • Organizer: 日本機械学会 第30 回設計工学・システム部門講演会
• [Presentation] A numerical simulation model considering uncertainty (2020)
  • Author(s): Makoto Ito, Nozomu Kogiso, Satoshi Kitayama
  • Organizer: Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization 2020
  • Int'l Joint Research